(57)【要約】【課題】撮像で得られた画素情報をＣＣＤで間引き読み出しする際に、露光オーバーを防止可能な半導体装置を提供する。【解決手段】複数のフォトダイオード１ａ、１ｂは、画素情報の読み出しタイミングが異なる複数のグループに分類され、電荷蓄積時間調整部６は、画素情報を読み出したグループのフォトダイオード（例えば複数のフォトダイオード１ａ）を所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整する。【選択図】図１
2007124065.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像で得られた画素情報をＣＣＤで読み出す半導体装置において、
前記画素情報の読み出しタイミングが異なる複数のグループに分類された複数のフォトダイオードと、
前記画素情報を読み出した前記グループの前記フォトダイオードを所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、前記電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整する電荷蓄積時間調整部と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記電荷蓄積時間調整部は、接地されたラテラル・オーバーフロー・ドレインを有し、前記所定時間だけ、前記フォトダイオードと前記ラテラル・オーバーフロー・ドレイン間のゲート部に電圧を印加することで前記ゲート部を導通させ、前記フォトダイオードで発生する電荷を前記ラテラル・オーバーフロー・ドレインに排出することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体装置に関し、特に撮像で得られた画素情報をＣＣＤ（Charge Coupled Device）で読み出す半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤを用いて被写体を撮像するデジタルカメラやビデオカメラにおいて、撮像画像を確認する液晶のモニタ画面を具備するものがある（例えば、特許文献１参照。）。このようなモニタ画面に撮像画像を表示するときに、全てのフォトダイオードから画素情報を読み出すとＣＣＤで転送する電荷量が多くなり、処理に時間がかかる。そこで、フォトダイオードを読み出しタイミングの異なる複数のグループに分けて、グループごとに画素情報を読み出す、いわゆる間引き読み出しを行うことで、動画などをスムーズにリアルタイムに再生することができる。
【０００３】
図６は、２つのグループのフォトダイオードに蓄積される電荷と読み出しタイミングを示す図である。
フォトダイオードを、読み出しタイミングの異なる２つのグループにグループ分けしたときの各グループのフォトダイオードに蓄積された電荷量Ｑ１、Ｑ２を示している。フォトダイオードには、光電効果によって発生した電荷が蓄積されていく。第１のグループに属するフォトダイオードに蓄積された電荷Ｑ１の読み出しタイミングは例えば、図６のように、ｔ１、ｔ３、ｔ５となる。第２のグループに属するフォトダイオードに蓄積された電荷Ｑ２の読み出しタイミングはｔ２、ｔ４となる。各読み出しタイミングでは、フォトダイオードに蓄積された電荷がなくなり、リセット状態となった後、再び光電効果によって発生した電荷が蓄積されていく。
【特許文献１】特開２０００−２９５５３５号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような間引き読み出しでは各グループのフォトダイオードに光が照射されている時間（露光時間）は、全てのフォトダイオードを同時に読み出す場合（その場合、ｔ０、ｔ１、ｔ２、…、ｔ５で読み出す。）と比べ長くなる。これは、読み出し間隔が長くなるためである。各フォトダイオードの露光時間が長くなると、フォトダイオードに過度の電荷が蓄積してしまい、露光オーバーになりやすいという問題がある。
【０００５】
従来のＣＣＤには、露光オーバーなどでフォトダイオードに過度に電荷が蓄積された場合、その電荷をグランドに排出するラテラル・オーバーフロー・ドレインが備えられているものが知られている。例えば、図６のように、一定の電荷量Ｑｔｈを超えると、それ以上の電荷をグランドに排出する。しかし、その場合、画像の情報（階調）が失われてしまうという問題があった。
【０００６】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、ＣＣＤによる間引き読み出しを行う場合にも露光オーバーを防止可能な半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では上記問題を解決するために、撮像で得られた画素情報をＣＣＤで読み出す半導体装置において、図１に示すように、画素情報の読み出しタイミングが異なる複数のグループに分類された複数のフォトダイオード１ａ、１ｂと、画素情報を読み出したグループのフォトダイオード（例えば複数のフォトダイオード１ａ）を所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整する電荷蓄積時間調整部６と、を有することを特徴とする半導体装置１０が提供される。
【０００８】
上記の構成によれば、複数のフォトダイオード１ａ、１ｂは、画素情報の読み出しタイミングが異なる複数のグループに分類され、電荷蓄積時間調整部６は、画素情報を読み出したグループのフォトダイオード（例えば複数のフォトダイオード１ａ）を所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、複数のフォトダイオードを画素情報の読み出しタイミングの異なる複数のグループに分類し、画素情報を読み出したグループのフォトダイオードを所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整するので、各グループのフォトダイオードの読み出し間隔が長くても露光オーバーになることを防止することができる。そのため、少ない電荷量の転送で高速な処理が可能な間引き読み出しにおいても、画像の情報が失われることを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の半導体装置の概略の構成を示す図である。
本実施の形態の半導体装置１０は、例えば、デジタルカメラやデジタルビデオカメラの最大画素数分だけ設けられたフォトダイオード１ａ、１ｂと、フォトダイオード１ａ、１ｂの列ごとに設けられた複数の垂直ＣＣＤ２と、水平ＣＣＤ３と、アンプ４、Ａ／Ｄ変換器５と、電荷蓄積時間調整部６とを有している。
【００１１】
フォトダイオード１ａ、１ｂは、露光されると光電効果により電荷を発生し、それを画素情報として蓄積する。フォトダイオード１ａ、１ｂは、グループ分けされており、ここでは、２つのグループＧｒ１、Ｇｒ２に分類した場合について示している。以下、フォトダイオード１ａはグループＧｒ１、フォトダイオード１ｂはグループＧｒ２に属しているとして説明する。
【００１２】
垂直ＣＣＤ２は、フォトダイオード１ａ、１ｂの列ごとに設けられる。垂直ＣＣＤ２には、図の縦方向に複数の電極２ａが設けられており、各電極２ａには電圧Ｖ０、Ｖ１−１、Ｖ１−２、Ｖ２のいずれかが印加される。電圧Ｖ１−１は、グループＧｒ１のフォトダイオード１ａに隣接する電極２ａに印加される電圧であり、電圧Ｖ１−２は、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂに隣接する電極２ａに印加される電圧である。電圧Ｖ０、Ｖ２は電荷の転送に用いられる。各電極２ａに電圧Ｖ０、Ｖ１−１、Ｖ１−２、Ｖ２を所定のタイミングで印加することにより、電極２ａの下の図示しない半導体領域において、電荷が蓄積される電位の井戸を電極２ａの並びに沿って移動させ、フォトダイオード１ａ、１ｂから読み出した画素情報（電荷量）を水平ＣＣＤ３に転送する。
【００１３】
水平ＣＣＤ３には、図の横方向に複数の電極３ａが設けられており、電圧Ｈ１、Ｈ２が交互に印加される。各電極３ａに電圧Ｈ１、Ｈ２を所定のタイミングで印加することにより、各列の垂直ＣＣＤ２によって転送された電荷が蓄積される電位の井戸を移動させ、画素情報をアンプ４に転送する。
【００１４】
アンプ４は、水平ＣＣＤ３によって転送された画素情報を増幅する。
Ａ／Ｄ変換器５は、アンプ４によって増幅された画素情報をデジタル信号に変換して電圧測定して画素信号として出力する。
【００１５】
本実施の形態の特徴部分である電荷蓄積時間調整部６は、各列に設けられたラテラル・オーバーフロー・ドレイン（以下ＬＯＤという。）６−１と、フォトダイオード１ａ、１ｂとＬＯＤ６−１間に設けられたゲート部６−２ａ、６−２ｂと、電圧ＯＤ１、ＯＤ２をゲート部６−２ａ、６−２ｂに印加する電圧発生部６−３を有する。電圧ＯＤ１は、グループＧｒ１のフォトダイオード１ａと接続するゲート部６−２ａに印加され、電圧ＯＤ２は、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂと接続するゲート部６−２ｂに印加される。
【００１６】
図２は、ＬＯＤとフォトダイオード、ゲート部の断面構造を示す模式図である。
ここでは、図１のＡ−Ａ線での断面構造を模式的に示している。
フォトダイオード１ａの光電効果によって発生した電荷１１が蓄積されるｎ型半導体領域１２は、ゲート部６−２ａにおけるｐ型半導体領域１３を介してＬＯＤ６−１のｎ型半導体領域１４と接続している。従来では電荷１１が一定量（例えば、図６のＱｔｈ）以上になると、ゲート部６−２ａのｐ型半導体領域１３による電位の障壁からあふれ出した電荷１１は、接地されたＬＯＤ６−１のｎ型半導体領域１４に送られて排出される。これに対し本実施の形態では、電圧発生部６−３により、ゲート電極１３ａに、あるタイミングで電圧ＯＤ１を印加することによって、ｐ型半導体領域１３にチャネルを形成し、フォトダイオード１ａで発生した電荷１１をＬＯＤ６−１のｎ型半導体領域１４に排出する。つまり、あるタイミングでフォトダイオード１ａを接地することができ、所定時間、フォトダイオード１ａに電荷が蓄積しないようにできる。また、電圧ＯＤ１をオフすることで、フォトダイオード１ａの電荷の蓄積を開始できる。この接地する時間を調整することで、フォトダイオード１ａの次の読み出し時における電荷量を調整することができる。
【００１７】
以下、本実施の形態の半導体装置１０の動作を詳細に説明する。
まず、垂直ＣＣＤ２及び水平ＣＣＤ３を用いた、グループＧｒ１、Ｇｒ２のフォトダイオード１ａ、１ｂからの電荷の転送動作を説明する。
【００１８】
図３は、ＣＣＤによる電荷の概略の転送タイミングを示す図である。
２つのグループＧｒ１、Ｇｒ２のフォトダイオード１ａ、１ｂにおける間引き読み出しでは、例えば、まずリードパルスＲＰ１によって各列のグループＧｒ１のフォトダイオード１ａの電荷を、垂直ＣＣＤ２に読み出す。その後、垂直転送パルスＶＰ１によって読み出した電荷を垂直転送する。このとき、まず、最下行のグループＧｒ１のフォトダイオード１ａからの電荷が垂直転送されて水平ＣＣＤ３に転送され、水平転送パルスＨＰ１によって水平転送され、アンプ４で増幅されＡ／Ｄ変換器５によって電圧測定され、出力される。
【００１９】
次の垂直転送パルスＶＰ２は、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂからの電荷を読み出すパルスであるが、実際に読み出されているのはグループＧｒ１のフォトダイオード１ａの電荷のみであるので、水平ＣＣＤ３はこの電荷を水平転送しない。
【００２０】
次の垂直転送パルスＶＰ３では、図１の下から３段目、すなわちグループＧｒ１のフォトダイオード１ａからの電荷が垂直転送されて水平ＣＣＤ３に転送され、水平転送パルスＨＰ２によって水平転送され、アンプ４で増幅されＡ／Ｄ変換器５によって電圧測定され、出力される。
【００２１】
次に、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂの電荷の転送処理は、リードパルスＲＰ２によって、各列のグループＧｒ２のフォトダイオード１ｂの電荷が垂直ＣＣＤ２に読み出された後に始まる。垂直転送パルスＶＰ４は、図１の最下段のグループＧｒ１のフォトダイオード１ａからの電荷を読み出すパルスであるが、実際に読み出されているのはグループＧｒ２のフォトダイオード１ｂの電荷のみであるので、水平ＣＣＤ３はこの電荷を水平転送しない。
【００２２】
次の垂直転送パルスＶＰ５では、下から２段目、すなわちグループＧｒ２のフォトダイオード１ｂからの電荷が垂直転送されて水平ＣＣＤ３に転送され、水平転送パルスＨＰ３によって水平転送され、アンプ４で増幅されＡ／Ｄ変換器５によって電圧測定される。
【００２３】
さらに次の垂直転送パルスＶＰ６は、再びグループＧｒ１のフォトダイオード１ａの電荷を読み出すパルスであるが、実際に読み出されているのはグループＧｒ２のフォトダイオード１ｂの電荷のみであるので、水平ＣＣＤ３はこの電荷を水平転送しない。
【００２４】
上記のような転送は、具体的には、垂直転送に関しては電圧Ｖ０、Ｖ１−１、Ｖ１−２、Ｖ２、水平転送に関しては電圧Ｈ１、Ｈ２を以下のように制御することによって行われる。図３のグループＧｒ１の転送処理を例にして説明する。
【００２５】
図４は、グループＧｒ１の転送時の電圧波形の一例を示す図である。
まず、図１において、グループＧｒ１のフォトダイオード１ａに隣接する垂直ＣＣＤ２の電極２ａに高電圧の電圧Ｖ１−１を印加すると、フォトダイオード１ａに蓄積された電荷が垂直ＣＣＤ２に読み出される（ｔ１）。次に、電圧Ｖ１−１を中電圧（例えば、５Ｖ）とした状態で電圧Ｖ２を中電圧とすると、電圧Ｖ２が印加される電極２ａの下の図示しない半導体領域に、電荷が蓄積された電位の井戸が広がる（ｔ２）。次に、電圧Ｖ１−１を０Ｖとし、電圧Ｖ２のみを中電圧とすると、電圧Ｖ２が印加される電極２ａの下に読み出された電荷が完全に移る（ｔ３）。
【００２６】
その後、水平ＣＣＤ３の電極３ａの電圧Ｈ１を中電圧とし、電圧Ｈ２を０Ｖとした後（ｔ４）、電圧Ｖ２を０Ｖにすると、垂直転送された最下段のグループＧｒ１のフォトダイオード１ａの電荷が水平ＣＣＤ３に移る（ｔ５）。水平ＣＣＤ３に移った電荷は、電圧Ｈ１を０Ｖにし、電圧Ｈ２を中電圧とすることで横方向に転送される（ｔ６）。ｔ４、ｔ６を繰り返すことでグループＧｒ１の最下段のフォトダイオード１ａから読み出された電荷が横方向に次々に転送されていく（ｔ８、ｔ９）。
【００２７】
一方、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂに隣接する電極２ａの下の電荷は、ｔ３で電圧Ｖ２が中電圧の状態で電圧Ｖ１−２を０Ｖとし、ｔ４で電圧Ｖ０を中電圧とし、ｔ５で電圧Ｖ２を０Ｖとすることで、電圧Ｖ０が印加される電極２ａの下に転送される。さらに、ｔ６にて電圧Ｖ１−２を中電圧とした後、電圧Ｖ０を０Ｖとし（ｔ７）、ｔ９で電圧Ｖ２を中電圧としたのち、電圧Ｖ１−１を０Ｖとすることで、垂直ＣＣＤ２の最下段の電極２ａの下に転送される（ｔ１０）。しかし、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂからの読み出しは行われなかったので、この電荷は水平ＣＣＤ３に転送されず、捨てられる。
【００２８】
また、下から３段目のフォトダイオード１ａから読み出された電荷は、ｔ１０では下から４番目の電圧Ｖ２が印加される電極２ａの下に転送されている。その電荷は、電圧Ｖ０を中電圧とした後（ｔ１１）、電圧Ｖ２を０Ｖとすると、下から３番目の電極２ａの下に移り（ｔ１２）、電圧Ｖ１−１を中電圧とした後（ｔ１３）、電圧Ｖ０を０Ｖとすると下から２番目の電極２ａの下に転送される（ｔ１４）。さらに、電圧Ｖ２を中電圧とした後（ｔ１５）、電圧Ｖ１−１を０Ｖとすると、電荷は最下段の電極２ａの下に移る（ｔ１６）。その後、ｔ４〜ｔ９と同様に、下から３段目のフォトダイオード１ａから読み出された電荷は、水平ＣＣＤ３にて横方向に転送される（ｔ１７〜ｔ２１）。
【００２９】
次に、電荷蓄積時間調整部６の動作を説明する。
図５は、電荷蓄積時間調整部の動作を示す図である。
ここでは、グループＧｒ１のフォトダイオード１ａに接続されたゲート部６−２ａへ印加する電圧ＯＤ１、グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂに接続されたゲート部６−２ｂへ印加する電圧ＯＤ２、そしてフォトダイオード１ａに蓄積される電荷量Ｑ１、フォトダイオード１ｂに蓄積される電荷量Ｑ２を、図３で示した転送タイミングとの関係とともに示している。
【００３０】
リードパルスＲＰ１によるグループＧｒ１のフォトダイオード１ａの読み出しタイミングでは、フォトダイオード１ａに蓄積された電荷が読み出され、電荷量Ｑ１は０となる（ｔ３０）。読み出し後は、フォトダイオード１ａには再び電荷が蓄積され始めるが、本実施の形態では、読み出した電荷の転送の際に、所定時間（ｔ３１〜ｔ３２）電圧ＯＤ１を、グループＧｒ１のフォトダイオード１ａに接続するゲート部６−２ａに印加する。これにより、フォトダイオード１ａとＬＯＤ６−１とを電気的に接続して電荷が蓄積されないようにしている。電圧ＯＤ１をオフにするとフォトダイオード１ａへの電荷の蓄積が開始する（ｔ３２）。
【００３１】
グループＧｒ２のフォトダイオード１ｂも同様に、リードパルスＲＰ２により蓄積された電荷が読み出されると（ｔ３３）、その後の電荷転送の際の所定時間（ｔ３４〜ｔ３５）電圧ＯＤ２を、フォトダイオード１ｂに接続するゲート部６−２ｂに印加する。これにより、フォトダイオード１ｂとＬＯＤ６−１が電気的に接続され電荷が蓄積されない。電圧ＯＤ２をオフにするとフォトダイオード１ｂへの電荷の蓄積が開始する（ｔ３５）。
【００３２】
以上の処理がグループＧｒ１、Ｇｒ２の順に繰り返される。
このように、フォトダイオード１ａ、１ｂへの電荷の蓄積時間を調整することで、読み出し時における電荷量を調整することができる。これにより、実質的な露光時間を短縮することができるので、ＣＣＤのデータ読み出し時に高速な間引き読み出しを用いてデジタルカメラやビデオカメラのモニタ画面に撮像画像を表示する場合でも、露光オーバーにより画像の情報（階調）が失われることを防止できる。
【００３３】
電圧ＯＤ１、ＯＤ２を印加する期間を調整する方法は様々考えられるが、撮像画像によって蓄積される電荷量は異なるので、例えば、モニタ画面に表示される画像を操作者が参照して、露光オーバーが発生せずに最適な画像が得られるように、電圧発生部６−３で電圧ＯＤ１、ＯＤ２を印加する期間を、例えばダイヤルなどで調整するようにしてもよい。
【００３４】
また、露光オーバーとなる電荷量の閾値をもとに、その閾値を超えないように撮像画像に応じて、電圧発生部６−３で電圧ＯＤ１、ＯＤ２を印加する期間を自動的に設定するようにしてもよい。
【００３５】
また電圧ＯＤ１、ＯＤ２を印加する期間を、グループＧｒ１、Ｇｒ２ごとに変えてもよい。
なお、上記の説明では、列方向のフォトダイオード１ａ、１ｂをグループＧｒ１、Ｇｒ２の順にグループ分けして、行方向は同一グループに属するようにしたが、これに限定されない。
【００３６】
また、上記の説明では、フォトダイオード１ａ、１ｂを２つのグループＧｒ１、Ｇｒ２にグループ分けしたときの間引き処理について説明したが、３以上のグループに分けた場合においても、本発明を適用可能である。電荷蓄積時間調整部は、画素情報を読み出したグループのフォトダイオードを所定時間接地して電荷の蓄積を停止したのち、電荷の蓄積を開始させ、次の読み出し時における電荷量を調整することで、露光オーバーを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本実施の形態の半導体装置の概略の構成を示す図である。
【図２】ＬＯＤとフォトダイオード、ゲート部の断面構造を示す模式図である。
【図３】ＣＣＤによる電荷の概略の転送タイミングを示す図である。
【図４】グループＧｒ１の転送時の電圧波形の一例を示す図である。
【図５】電荷蓄積時間調整部の動作を示す図である。
【図６】２つのグループのフォトダイオードに蓄積される電荷と読み出しタイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ａ、１ｂ  フォトダイオード
２  垂直ＣＣＤ
２ａ、３ａ  電極
３  水平ＣＣＤ
４  アンプ
５  Ａ／Ｄ変換器
６  電荷蓄積時間調整部
６−１  ラテラル・オーバーフロー・ドレイン（ＬＯＤ）
６−２ａ、６−２ｂ  ゲート部
６−３  電圧発生部
１０  半導体装置
【図１】
2007124065.tif 000003
【図２】
2007124065.tif 000004
【図３】
2007124065.tif 000005
【図４】
2007124065.tif 000006
【図５】
2007124065.tif 000007
【図６】
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